利用ANSYS等软件生成三维地质体有限元模型
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利用ANSYS等软件进行三维地质建模的方法
一、前言
作为一名从事岩土工程方向的研究生，在学习工作过程中经常遇到数值模拟的问题。在数值模拟过程中，前处理将占用绝大部分时间，而三维地质建模更是前处理的难点。本文结合自身实践，讲述如何利用AutoCAD中已有的等高线图形，通过GOCAD、Surfer和ANSYS等软件转化为可进行下一步数值模拟的有限元网格的具体步骤。步骤和操作虽比较烦琐，但实际易用，便于掌握。
二、提取AutoCAD中等高线
一般来说，工程勘探都有对选址地区地表形态进行描述的地形等高线的电子图纸，这些包含有等高线的图中会有很多其他图层，如图（1）所示：
图（11）含有等高线及其他图层的AutoCAD示例
图（
首先做的是要清除无关图层，只留下含有等高线数据的图层。当遇到无法删除图层时，如图（2）所示，则要保证该非等高线图层中没有任何数据。
图（22）图层无法删除示例
图（
其次，需要对等高线图层中的等高线属性进行查看和修改。有的地形图中等高线使用轻量多义线（LWPOLYLINE）勾画的，其中很多数据会包含厚度属性，见下图所示，需要将其厚度属性改为0。
图（33）修改等高线属性示例一
图（
如果等高线没有三维坐标的属性，见下图所示（图示为已有三维坐标的，顶点X坐标、顶点Y坐标和标高），则需要根据地形图中等高线标注逐一进行修改，工作量较大。个人未见有较好的方法可以给等高线自动附上标注的高度Z坐标。
图（44）修改等高线属性示例二
图（
做好这些准备工作之后，图形应该类似于下图所示，轴测图能够看出，不同标注值的等高线是不处于同一高度平面的。之后需将处理得到的图形另存为*.dxf （Drawing Exchange Format——绘图交换文件）格式文件，作为GOCAD的处理对象。
图（
图（55）修改完的等高线图示例
提取等高线中拟合点数据
三、
三、提取等高线中拟合点数据
地形图中的等高线是通过外业采集得到的数据，通过软件将同一等高线上的数据点利用拟合的方法（如AutoCAD中的SPLINE命令）绘制出的，下一步要做的就是将等高线中的拟合点数据提取出来。
首先，将保存出的*.dxf格式的文件放于没有任何中文字符的文件路径下，然后用GOCAD软件读入：File→Import Objects→Cultural Data→DXF，找到相应的文件，读入。
然后，在用GOCAD中打开的地形图中，会看到Curve一栏中会出现有三个图层的数据，如下图所示。
图（66）GOCAD中等高线数据示例
图（
选中Curve中包含有等高线的图层前的复选框，如果有的图层不包含等高线数据，右击该图层名称，Delete该图层。做好之后，等高线将会显示出来，如下图所示。
图（77）GOCAD中等高线数据示例
图（
将显示出的等高线中的数据输出：File→Export Object→PointsSet→Custom ASCII，弹出对话框，如下图所示。
图（88）GOCAD中输出等高线数据对话框示例一
图（
在Output file中填写相应的文件路径和文件名，在number of fields中添加（右侧Add按钮）相应的X、Y、Z字段，如下图所示。
图（99）GOCAD中输出等高线数据对话框示例二
图（
打开保存好的文件，其格式应该如下图所示。
图（
1010））GOCAD中输出等高线数据文本格式示例
图（10
得到该数据之后，可以为下一步的Surfer软件处理做好准备。
四、
Surfer中将等高线数据均匀化
四、Surfer
从上一步得到的数据时等高线上离散的拟合点的坐标数据，由于数据点的数量有限而且较为离散，直接用Ansys联线等比较麻烦，因此需要用到Surfer软件将离散的数据点均匀化，生成可以利用Ansys的APDL语言进行编程处理的数据点。
利用Surfer软件读入上一步得到的数据文件：Grid→Data，找到相应的文件，将弹出一个数据分列的对话框，如下图所示。
1111））Surfer中读入等高线数据文本对话框示例一
图（
图（11
按照其默认选项，点击OK按钮，弹出另一个对话框，如下图所示。
1212））Surfer中读入等高线数据文本对话框示例二
图（
图（12
该对话框中有许多高级选项，包括数据的过滤、如何对离散的数据点进行插值得到网格的方法等选项或按钮，可以尝试选择，对不同的网格生成方法进行对
比，得到比较合适的能够反映出地表形态的地形图。当前操作是按照其默认选项，点击OK按钮，将生成一个与读入数据文件名相同且路径相同的*.grd文件，之后的操作将是针对得到的该文件进行的。
执行Map→New→3D Gridframe操作，读取上一步得到的*.grd文件，将会显示出网格地图，可进行查看对比。如下图所示。
1313））Surfer中三维网格地图显示示例
图（13
图（
将该网格数据输出。执行Grid→Convert，先找到创建的*.grd文件，然后弹出保存的文件，写上输出文件名，注意保存类型应该选择*.dat文件。利用Surfer 输出的数据格式如下图所示。
1414））Surfer中三维网格地图示例
图（
图（14
值得注意的是，用Surfer得到的网格数据与GOCAD中输出的网格数据是不同的，其不同在于，GOCAD该输出的数据是等高线上的离散的拟合点数据，而Surfer 输出的数据是经过网格均匀化得到的，网格点明显多于前者，也更易于在Ansys 中进行编程连线，进而创建面及实体。
Ansys中利用等高线数据创建实体及有限元模型
五、Ansys
五、
由于Surfer导出的数据不能直接被Ansys读入，故需将数据进行格式调整，可利用Word、Excel等文本编辑软件对格式进行修改，修改后的文件内容应如下图所示，该文件即可被Ansys直接调用，并创建关键点（Keypoints）。
1515））Ansys中关键点数据录入格式示例
图（15
图（
关键点创建完毕之后，可以利用编程的知识由下到上创建样条线段和空间曲面（由于利用Surfer输出地网格点的坐标都是很有规律的：先对X坐标从小到大排列，再对Y坐标从小到大排列，故可通过程序一步步创建出样条线和空间曲面）。如下图所示为利用Ansys的APDL语言编写的创建空间样条线段和曲面的语句。创建Spline Segment的语句示例：
......
SPLINE,5991,5992,5993,5994,5995,5996
SPLINE,5996,5997,5998,5999,6000,6001
SPLINE,6001,6002,6003,6004,6005,6006
SPLINE,6007,6008,6009,6010,6011,6012
SPLINE,6012,6013,6014,6015,6016,6017
SPLINE,6017,6018,6019,6020,6021,6022